EP2569349A1 - Verfahren zur herstellung von polyetherolen - Google Patents

Verfahren zur herstellung von polyetherolen

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EP2569349A1
EP2569349A1 EP11718752A EP11718752A EP2569349A1 EP 2569349 A1 EP2569349 A1 EP 2569349A1 EP 11718752 A EP11718752 A EP 11718752A EP 11718752 A EP11718752 A EP 11718752A EP 2569349 A1 EP2569349 A1 EP 2569349A1
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EP
European Patent Office
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preparation
polyetherols
group
alkylene oxides
polyetherols according
Prior art date
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EP11718752A
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Peter Deglmann
Sirus Zarbakhsh
Achim LÖFFLER
Kerstin Wiss
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BASF SE
Original Assignee
BASF SE
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Publication date
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08G—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED OTHERWISE THAN BY REACTIONS ONLY INVOLVING UNSATURATED CARBON-TO-CARBON BONDS
    • C08G65/00—Macromolecular compounds obtained by reactions forming an ether link in the main chain of the macromolecule
    • C08G65/02—Macromolecular compounds obtained by reactions forming an ether link in the main chain of the macromolecule from cyclic ethers by opening of the heterocyclic ring
    • C08G65/26—Macromolecular compounds obtained by reactions forming an ether link in the main chain of the macromolecule from cyclic ethers by opening of the heterocyclic ring from cyclic ethers and other compounds
    • C08G65/2603—Macromolecular compounds obtained by reactions forming an ether link in the main chain of the macromolecule from cyclic ethers by opening of the heterocyclic ring from cyclic ethers and other compounds the other compounds containing oxygen
    • C08G65/2606—Macromolecular compounds obtained by reactions forming an ether link in the main chain of the macromolecule from cyclic ethers by opening of the heterocyclic ring from cyclic ethers and other compounds the other compounds containing oxygen containing hydroxyl groups
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08G—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED OTHERWISE THAN BY REACTIONS ONLY INVOLVING UNSATURATED CARBON-TO-CARBON BONDS
    • C08G65/00—Macromolecular compounds obtained by reactions forming an ether link in the main chain of the macromolecule
    • C08G65/02—Macromolecular compounds obtained by reactions forming an ether link in the main chain of the macromolecule from cyclic ethers by opening of the heterocyclic ring
    • C08G65/26—Macromolecular compounds obtained by reactions forming an ether link in the main chain of the macromolecule from cyclic ethers by opening of the heterocyclic ring from cyclic ethers and other compounds
    • C08G65/2642—Macromolecular compounds obtained by reactions forming an ether link in the main chain of the macromolecule from cyclic ethers by opening of the heterocyclic ring from cyclic ethers and other compounds characterised by the catalyst used
    • C08G65/2669—Non-metals or compounds thereof
    • C08G65/2672—Nitrogen or compounds thereof

Definitions

  • the present invention relates to processes for the preparation of polyetherols, in particular polyetherol block structures, to novel catalysts for use in these processes, and to polyetherols which can be prepared by the process according to the invention. Furthermore, the present invention relates to the use of the inventively preparable polyetherols for the production of polyurethanes.
  • polyether alcohol and “polyetherol” are used interchangeably.
  • KOH Potassium hydroxide
  • Frequently used alkylene oxide starting materials for the preparation of polyether alcohols are propylene oxide (PO) and / or ethylene oxide (EO).
  • polyetherols are commonly used starting materials for the preparation of polyurethanes (PU). Since the type of polyetherol used has a great influence on the properties of the polyurethane product, it is of great importance Importance to produce polyetherols with defined properties, depending on the nature of the desired polyurethane. It is therefore often necessary to prepare polyetherols having block structures, for example polyetherols having a core block (PO) of PO and an endblock (cap) of EO.
  • PO core block
  • cap endblock
  • a high proportion of EO in the end block is in many applications, for example in the production of polyurethanes, desirable because EO provides as starting material in the preparation of polyether polyetherols in primary OH groups, which increases the reactivity of the polyetherol in the urethanization.
  • Organocatalysts for the ring-opening polymerization of alkylene oxides are discussed in detail in the book by Lonescu (M. Lonescu, Chemistry and Technology of Polyols for Polyurethanes, Rapra Technology, 2005). These are exclusively N-nucleophiles, which lead to proper sales in the EO homopolymerization, but in propylene oxide (PO) and other substituted monomers only allow the production of low molecular weight oligomers ( ⁇ 5 PO per OH group of the initiator).
  • block copolymers which consist of a core of (substituted) alkylene oxides (eg, propylene oxide or butylene oxide) and a cap (endblock) of EO.
  • a core of (substituted) alkylene oxides eg, propylene oxide or butylene oxide
  • cap endblock
  • EO e.g. Polypropylene oxide (PPO) blocks with a small proportion of EO, ie the addition of a polyethylene oxide block to a polypropylene oxide block, is not well-defined with other established alkoxylation tion catalysts, such as DMC (double metal cyanide), not feasible.
  • DMC double metal cyanide
  • N-heterocyclic carbenes have been known for some years as initiators or organocatalysts for ring-opening polymerization (Dove et al., Polymer 47 (2006), 4018). Recently, Raynaud et al. (JACS, 131 (2009), 3201) describes the stoichiometric ring opening of ethylene oxide (EO) in solution, resulting after long reaction times in zwitterionic PEG (polyethylene glycol) oligomers.
  • EO ethylene oxide
  • the process should have as few side reactions as possible and be as simple as possible, and run as quickly as possible.
  • the products of the process ie the polyetherols, should be well suited for the production of polyurethanes (PU).
  • the subject of the present invention is thus a process for the preparation of polyetherols by catalytic ring-opening polymerization of alkylene oxides with at least one at least monofunctional compound which is reactive with alkylene oxides, wherein at least one N-heterocyclic carbene is used as a catalyst.
  • N-heterocyclic carbene as catalyst for the catalytic ring-opening polymerization of alkylene oxides makes it possible, inter alia, to prepare high molecular weight block copolymer polyetherols, for example with EO end caps. Due to their high reactivity owing to the primary OH groups, the polyetherols prepared in this way are outstandingly suitable for further conversion to polyurethanes, for example for use as molded flexible foams.
  • the process according to the invention for the preparation of polyetherols using an N-heterocyclic carbene as catalyst for the catalytic ring-opening polymerization of alkylene oxides is particularly suitable for substituted alkylene oxides.
  • oxides such as propylene oxide or butylene oxide
  • a further advantage of the process according to the invention is that the work-up steps of the neutralization and filtration, which are necessary in the KOH-catalyzed production of polyetherols, are eliminated.
  • the viscosity of the reaction mixture when using the method according to the invention is generally lower than that in the conventional KOH-catalyzed process, which allows a better dissipation of the heat of reaction.
  • the reactivity (curing time) of the polyurethane thus obtainable can be adjusted within wide limits.
  • the NHC catalyst of the present invention can also be used as a catalyst for polyurethane production; Consequently, if the NHC catalyst according to the invention is not quenched at the end of the process according to the invention and thus remains in the polyetherol product, the reactivity of the polyol in a process for the preparation of PU can be increased (or the amount of regular PU catalyst reduced).
  • quenching means the deactivation of the catalyst by chemical reaction, for example by hydrolysis or oxidation.
  • lactones for the copolymerization with alkylene oxides are substituted or unsubstituted lactones having 4-membered or larger rings, such as, for example, ⁇ -propiolactone, ⁇ -valerolactone, ⁇ -caprolactone, methyl-e-caprolactone, ⁇ , ⁇ -dimethyl- ⁇ propiolactone, ⁇ -methyl- ⁇ -propiolactone, ⁇ -methyl- ⁇ -propiolactone, ⁇ , ⁇ -bis (chloromethyl) -propiolactone, methoxy-e-caprolactone, ethoxy-e-caprolactone, cyclohexyl-e-caprolactone, Phenyl-e-caprolactone, benzyl-e-caprolactone, ⁇ -enantholactone, ⁇ -caprylolactone, ⁇ , ⁇ , Y-trimethoxy-5-valerolactone, or ⁇ -butyrolactones, and
  • the polyetherol products can be used, for example, as part of the A component of PU systems for flexible foam applications (flexible foam, flexible foam), for hard foam applications and for elastomers, coatings and adhesives, as carrier oils and as surface-active substances for cosmetics and household chemicals as well as for construction chemicals.
  • NHCs are capable of mono- and disubstituted alkylene oxides, in particular propylene oxide and butylene oxide, in not only oligomeric but also in the corresponding polyetherols (see also catalytic and stoichiometric reaction). with high Mw, for example up to 12,000 g / mol).
  • NHC catalysts it is also possible for the first time with NHC catalysts to obtain random and block copolymers from the abovementioned monomers, in particular EO-capped PPG cores.
  • a catalyst according to the invention is used.
  • the catalyst according to the invention is preferably selected from the group comprising:
  • X is selected from the group comprising O and S;
  • R1 is selected from the group comprising alkyl, aryl;
  • R2, if present, is also selected from the group comprising alkyl, aryl;
  • R3 and R4 are each selected from the group comprising H, alkyl, aryl.
  • the alkyl groups are preferably each selected from the group comprising methyl, ethyl, propyl, butyl, pentyl, hexyl, heptyl, octyl, more preferably methyl, ethyl, iso-propyl, tert-butyl.
  • the aryl groups are preferably each selected from the group comprising phenyl and mesityl.
  • R1 is preferably a secondary or tertiary alkyl or mesityl group, more preferably a tertiary alkyl group.
  • R 1 and R 2 are present, at least one of the two radicals R 1 and R 2 is preferably a primary alkyl group, such as, for example, methyl, ethyl, n-propyl or n-butyl.
  • At least one of the two radicals R 1 and R 2 is preferably also a secondary alkyl group, for example isopropyl.
  • both R 1 and R 2 are secondary alkyl groups.
  • one of the two radicals R 1 and R 2 is a primary alkyl group and the other of the two radicals is a secondary alkyl group.
  • both radicals R 1 and R 2 are each preferably primary alkyl groups.
  • R2 and R2 wherein R1, R2, R3, R4 are in general and preferred form as defined above.
  • the following catalyst is used:
  • R1, R2, R3, R4 are in general and in preferred form as defined above.
  • At least one of the two radicals R 1 and R 2 is preferably a primary alkyl group; also preferably at least one of the two radicals R 1 and R 2 is a secondary alkyl group. Particularly preferably, both radicals R 1 and R 2 are each primary alkyl groups.
  • R1, R2, R3, R4 are in general and in preferred form as defined above.
  • At least one of the two radicals R 1 and R 2 is preferably a primary alkyl group; also preferably at least one of the two radicals R 1 and R 2 is a secondary alkyl group. Particularly preferably, both radicals R 1 and R 2 are each primary alkyl groups.
  • the catalyst according to the invention in an amount of 0.001 to 1, 5 wt.%, Preferably in an amount of 0.01 to 1, 0 wt.%, Particularly preferably in an amount of 0.1 to 0.7 wt.% , based on the amount of starter plus alkylene oxide (s) used. It is also possible to use a mixture of various catalysts according to the invention, or a mixture of catalysts according to the invention with conventional catalysts.
  • the at least monofunctional compound which is reactive with alkylene oxides is also referred to as a starter in the context of the present invention.
  • an at least monofunctional compound which is reactive with alkylene oxides is used.
  • the at least monofunctional compound which is reactive with alkylene oxides is in one embodiment selected from the group of monofunctional compounds, preferably from the group comprising monols, in particular C 1 - to C 1 monols.
  • the at least monofunctional compound reactive with alkylene oxides is selected from the group of at least difunctional compounds reactive with alkylene oxides.
  • the at least difunctional compound which is reactive with alkylene oxides is selected from the group consisting of polyols, in particular glycerol, ethylene glycol, diethylene glycol, propylene glycol, dipropylene glycol, pentaerythritol, sorbitol, sucrose, C 1 to C 18 diols , Castor oil, epoxidized and ring-opened fatty acids, trimethylolpropane, sugar compounds such as glucose, sorbitol, mannitol and sucrose, polyhydric phenols, resoles, such as B.
  • polyols in particular glycerol, ethylene glycol, diethylene glycol, propylene glycol, dipropylene glycol, pentaerythritol, sorbitol, sucrose, C 1 to C 18 diols , Castor oil, epoxidized and ring-opened fatty acids, trimethylolpropane, sugar compounds such as glucose, sorbi
  • amines or amino alcohols can be used as starter components.
  • TDA toluenediamine
  • MDA diphenylmethanediamine
  • p-MDA polymeric MDA
  • TDA toluenediamine
  • MDA diphenylmethanediamine
  • p-MDA polymeric MDA
  • TDA in particular the 2,3- and 3,4-isomers, also referred to as vicinal TDA used.
  • the alkylene oxides for the process according to the invention are preferably selected from
  • R1 and R2 are each selected from the group comprising alkyl, aryl, alkenyl.
  • alkyl is preferably a radical selected from the group of the C 1 - to C 10 -alkyl compounds, preferably C 1 - to C 2 -compounds, more preferably C 1 - compounds.
  • Aryl is preferably a phenyl radical.
  • Alkenyl is preferably a radical selected from the group of the C 2 - to C 10 -alkyenyl compounds, preferably a C 3 -alkenyl compound.
  • the alkylene oxide is selected from the group consisting of ethylene oxide (EO), propylene oxide (PO) and butylene oxide. In a particularly preferred embodiment of the invention, the alkylene oxide is propylene oxide.
  • the addition of the alkylene oxides is preferably carried out at a temperature between 60 and 150 ° C, more preferably at 80-130 ° C, and most preferably at 90-120 ° C, and a pressure between 0.1 to 9 bar.
  • a subsequent reaction phase is usually followed in which the alkylene oxide reacts. It usually follows a work-up of the reaction product, for example by a distillation for the separation of volatile constituents, which is preferably carried out under vacuum; the elaborate further workup customary in KOH-catalyzed processes by neutralization of the catalyst and filtration of the resulting salt is eliminated. Furthermore, during, before or after the distillation also with inert gas or steam can be stripped.
  • the stripping usually takes place in a temperature range of 60-150 ° C and a pressure range of 15-1013 mbar.
  • the inert gas or steam is usually introduced at 1 -1900 kg / m 3 / h.
  • the volume refers to the reactor volume.
  • the catalyst of the invention is then quenched, for example by oxidation or hydrolysis.
  • Another object of the invention relates to the producible by the process according to the invention polyetherols, and their use for the production of polyurethanes.
  • another object of the invention is a process for the preparation of polyetherols, as defined above, wherein the polyetherol is provided with an EO endcap.
  • the invention relates to a process for preparing a polyurethane, by reacting a producible by the novel polyether polyol with one or more organic diisocyanates (or polyisocyanates).
  • the polyurethanes can be prepared by the known processes, batchwise or continuously, for example using reaction extruders or the one-shot strip process or the prepolymer process (also multi-stage prepolymer processes as in US6790916B2, preferably after the one-shot process).
  • reaction extruders or the one-shot strip process or the prepolymer process also multi-stage prepolymer processes as in US6790916B2, preferably after the one-shot process.
  • the components to be reacted, polyesterol, chain extender, isocyanate and, if appropriate, auxiliaries and additives (in particular UV stabilizers) may be mixed successively or simultaneously with one another, the reaction beginning immediately.
  • the polyurethanes are generally prepared by reacting diisocyanates with compounds having at least two isocyanate-reactive hydrogen atoms, preferably difunctional alcohols, particularly preferably using the polyetherols obtainable according to the invention.
  • Suitable diisocyanates are customary aromatic, aliphatic and / or cycloaliphatic diisocyanates, for example diphenylmethane diisocyanate (MDI), tolylene diisocyanate (TDI), tri-, tetra-, penta-, hexa-, hepta- and / or octamethylene diisocyanate, 2-methyl pentamethylene diisocyanate 1, 5, 2-ethylbutylene diisocyanate 1, 4, 1-isocyanato-3,3,5-trimethyl-5-isocyanatomethylcyclohexane (isophorone diisocyanate, IPDI), 1, 4 and or
  • polyhydroxyl compounds having molecular weights of 500 to 8000 g / mol, preferably 600 to 6000 g / mol, in particular 800 to 4000 g / mol, and preferably an average functionality of 1.8 to 2.6, preferably 1 , 9 to 2.2, in particular 2 are used, for example, polyester alcohols, polyether alcohols and / or polycarbonate diols.
  • Isocyanate-reactive compounds also include chain extenders.
  • chain extenders it is possible to use generally known, in particular, two-functional compounds, for example diamines and / or alkanediols having 2 to 10 C atoms in the alkylene radical, in particular ethylene glycol and / or butanediol-1, 4, and / or hexanediol and / or di- and or tri-oxyalkylene glycols having 3 to 8 carbon atoms in the oxyalkylene radical, preferably corresponding oligo-polyoxypropylene glycols, it also being possible to use mixtures of the chain extenders.
  • chain extenders can also 1, 4-bis (hydroxymethyl) - benzene (1, 4-BHMB), 1, 4-bis (hydroxyethyl) benzene (1, 4-BHEB) or 1, 4-bis (2 -hydroxyethoxy) benzene (1, 4-HQEE) are used.
  • Preferred chain extenders are ethylene glycol and hexanediol, particularly preferably ethylene glycol.
  • catalysts which accelerate the reaction between the NCO groups of the diisocyanates and the hydroxyl groups of the synthesis components, for example tertiary amines, such as triethylamine, dimethylcyclohexylamine, N-methylmorpholine, ⁇ , ⁇ '-dimethylpiperazine, 2- (dimethylaminoethoxy) - ethanol, diazabicyclo- (2,2,2) octane and the like and in particular organic metal compounds such as titanic acid esters, iron compounds such as Iron (III) acetylacetonate, tin compounds such as tin diacetate, tin dilaurate or the tin dialkyl salts of aliphatic carboxylic acids such as dibutyltin diacetate, dibutyltin dilaurate or the like.
  • the catalysts are usually used in amounts of 0.0001 to 0.1 parts by weight per 100 parts by weight of polyhydroxyl compound.
  • auxiliaries in addition to catalysts, it is also possible to add conventional auxiliaries to the structural components. Mention may be made, for example, of surface-active substances, flame Protectants, nucleating agents, slip and release aids, dyes and pigments, inhibitors, hydrolysis stabilizers, light, heat, oxidation or discoloration, microbial degradation inhibitors, inorganic and / or organic fillers, reinforcing agents and plasticizers.
  • An object of the present invention thus concerns, as mentioned, the use of a polyether polyol prepared by the process according to the invention for the production of polyurethanes (hereinafter also referred to as PUR), in particular of flexible polyurethane foam, rigid polyurethane foam, polyisocyanurate (PIR). Hard foam, cellular or non-cellular PUR materials or polyurethane dispersions.
  • PUR polyurethanes
  • the polyurethanes as described above can u. a. used for the manufacture of mattresses, shoe soles, gaskets, hoses, floors, profiles, paints, adhesives, sealants, skis, car seats, raceways in stadiums, instrument panels, various moldings, potting compounds, films, fibers, non-wovens and / or cast floors become.
  • the present invention further relates to the use of an N-heterocyclic carbene as defined above as a catalyst in a process for the preparation of polyetherols.
  • Viscosity (25 ° C): 126 mPas
  • Example 5 18.42 g of diethylene glycol and 1, 3 g of di-tert-butyl-imidazolium-2-carboxylate were placed in a 300 ml reactor. Subsequently, the vessel was rendered inert with nitrogen. The kettle was heated to 1 15 ° C and 201, 58 g of propylene oxide were metered against a pressure brake of 7.6 bar. After 6 hours, the pressure exceeded 7.6 bar and did not drop even after a dosing stop. Thereupon the reaction was stopped. It was evacuated under full vacuum for 30 minutes and then cooled to 25 ° C. There were obtained 91, 14 g of product.
  • the high pressure values indicate an abreaction of the PO.
  • the process of the invention provides an advantageous alternative to conventional, KOH or DMC catalyzed processes.
  • the new catalysts are highly active, requiring only a small amount of the catalyst, and EO endcapping of polyetherols of substituted alkylene oxides, and thus the construction of polyetherol block structures, can be carried out. Also, a copolymerization, for. B. with lactones, is possible.
  • the use of amines as a starter or costarter is possible; and finally, the catalyst of the invention in further reactions, for. As the PU production continue to be used.
  • the polyetherols which can be prepared according to the invention can also be advantageously used in the preparation of polyurethanes.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung von Polyetherolen, insbesondere Polyetherol-Blockstrukturen, neue Katalysatoren zum Einsatz in diesen Verfahren, und die durch das erfindungsgemäße Verfahren herstellbaren Polyetherole. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung der erfindungsgemäß herstellbaren Polyetherole zur Herstellung von Polyurethanen.

Description

Verfahren zur Herstellung von Polyetherolen Beschreibung Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung von Polyetherolen, insbesondere Polyetherol-Blockstrukturen, neue Katalysatoren zum Einsatz in diesen Verfahren, sowie Polyetherole, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbar sind. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung der erfindungsgemäß herstellbaren Polyetherole zur Herstellung von Polyurethanen.
Hintergrund
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung werden die Begriffe„Polyetheralkohol" und „Polyetherol" synonym verwendet.
Die Herstellung von Polyetheralkoholen durch anionische ringöffnende Polymerisation von Alkylenoxiden ist seit langem bekannt.
Näheres hierzu kann beispielsweise dem Kunststoffhandbuch, Band VII, Polyurethane, Carl-Hanser-Verlag, München, 1. Auflage 1966, herausgegeben von Dr. R. Vieweg und Dr. A. Höchtlen, sowie 2. Auflage 1983 und 3. Auflage 1993, herausgegeben von Dr. G. Oertel, entnommen werden, oder M. Szycher, Szycher's Handbook of Polyuretha- nes, CRC Press, New York 1999, Kap. 5„Polyols" entnommen werden. Die Anlagerung der Alkylenoxide erfolgt üblicherweise unter Verwendung von Katalysatoren. Hierfür werden in der Technik überwiegend basische, und hierbei insbesondere alkalische Katalysatoren eingesetzt.
Basische Verbindungen, wie Alkali- und Erdalkali-Hydroxide zählen bei der Herstellung von Polyetheralkoholen zu den Standard-Katalysatoren; Kaliumhydroxid (KOH) ist der am meisten verwendete.
Die Herstellung von Polyetheralkoholen ist auch in M. lonescu,„Chemistry and Technology of Polyols for Polyurethanes", Rapra Technology, 2005 beschrieben.
Häufig verwendete Alkylenoxid-Ausgangsprodukte für die Herstellung von Polyetheralkoholen sind Propylenoxid (PO) und/oder Ethylenoxid (EO).
Polyetheralkohole (Polyetherole) sind häufig verwendete Ausgangsprodukte zur Her- Stellung von Polyurethanen (PU). Da die Art des verwendeten Polyetherols dabei einen großen Einfluss auf die Eigenschaften des Polyurethan-Produkts hat, ist es von großer Bedeutung, Polyetherole mit definierten Eigenschaften herzustellen, je nach Art des gewünschten Polyurethans. Es ist daher auch oftmals nötig, Polyetherole mit Blockstrukturen herzustellen, zum Beispiel Polyetherole mit einem Kernblock (core) aus PO und einem Endblock (cap) aus EO.
Ein hoher Anteil an EO im Endblock ist dabei bei vielen Anwendungen, zum Beispiel bei der Herstellung von Polyurethanen, erwünscht, da EO als Edukt bei der Herstellung von Polyetherolen im Polyetherol primäre OH-Gruppen liefert, was die Reaktivität des Polyetherols in der Urethanisierung erhöht.
Wie erwähnt, erfolgt die Anlagerung der cyclischen Alkylenoxide, zum Beispiel an OH- Gruppen enthaltende Verbindungen, üblicherweise unter Verwendung von Katalysatoren.
Organokatalysatoren zur ringöffnenden Polymerisation von Alkylenoxiden werden aus- führlich im Buch von lonescu diskutiert (M. lonescu, Chemistry and Technology of Polyols for Polyurethanes, Rapra Technology, 2005). Dabei handelt es sich ausschließlich um N-Nukleophile, welche in der EO-Homopolymerisation zu ordentlichen Umsätzen führen, bei Propylenoxid (PO) und anderen substituierten Monomeren jedoch lediglich die Herstellung von niedermolekularen Oligomeren erlauben (<5 PO pro OH-Gruppe des Starters). Daher ist es mit diesen Aminkatalysatoren auch nicht möglich, Blockcopolymere herzustellen, welche aus einem Core (Kernblock) von substituierten Alkylenoxiden (z. B. Propylenoxid oder Butylenoxid) und einem Cap (Endblock) aus EO bestehen. Das zuletzt genannte Capping von z.B. Polypropylenoxid (PPO)-Blöcken mit einem geringen Anteil von EO, also das Anfügen eines Polyethylenoxid-Blocks an einen Polypropylenoxid-Block, ist in wohldefinierter Weise auch mit anderen etablierten Alkoxilie- rungskatalysatoren, wie DMC (Doppelmetallcyanid), nicht durchführbar. Mit KOH als Katalysator ist dies möglich, jedoch muss das Produkt danach noch aufwendig aufge- arbeitet werden.
Als weitere Klasse von Katalysatoren sind N-Heterocyclische Carbene (NHC) seit einigen Jahren als Initiatoren bzw. Organokatalysatoren für die ringöffnende Polymerisation bekannt (Dove et al., Polymer 47 (2006), 4018). Kürzlich wurde auch von Raynaud et al. (JACS, 131 (2009), 3201 ) die stöchiometrische Ringöffnung von Ethy- lenoxid (EO) in Lösung beschrieben, wobei nach langen Reaktionszeiten zwitterionische PEG (Polyethylenglykol-)-Oligomere entstehen. Diese werden beim Quen- chen des Reaktionsgemisches mit Wasser zu Diolen umgesetzt; alternativ können durch Übertragung der PEG-Ketten auf Nucleophile auch andere terminale Funktionali- täten eingestellt werden (z.B. Benzylester beim Quenchen mit Benzylalkohol, Azide beim Quenchen mit Trimethylsilylazid). Die gleiche Vorgehensweise wird von denselben Autoren auch in der Patentanmeldung WO2009/013344 beschrieben, wobei als Monomere alle technisch relevanten Alkylenoxide sowie als Katalysatoren alle gängigen Carbenstrukturen beansprucht werden. Konkrete Ausführungsbeispiele sind jedoch nur für EO angegeben. Allerdings wurde die katalytische Ringöffungspolymerisa- tion von Ethylenoxid bereits drei Jahre zuvor durch Mason et al. beschrieben (Polym. Prepr., Am. Chem. Soc, Div. Polym. Chem., 2006, 47, 99-100).
Es stellte sich somit die Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung von Polyetherolen bereitzustellen, das sich insbesondere zur Herstellung von Blockstrukturen eignet und möglichst ein EO-Capping gestattet.
Zudem sollte das Verfahren möglichst wenige Nebenreaktionen aufweisen und möglichst einfach durchzuführen sein, sowie möglichst schnell ablaufen. Die Produkte des Verfahrens, also die Polyetherole, sollten sich gut zur Herstellung von Polyurethanen (PU) eignen.
Beschreibung der Erfindung
Es wurde nun überraschenderweise gefunden, dass durch katalytische ringöffnende Polymerisation von Alkylenoxiden unter Einsatz mindestens eines N-heterocyclischen Carbens als Katalysator die oben erwähnte Aufgabe gelöst werden konnte.
Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist somit ein Verfahren zur Herstellung von Polyetherolen durch katalytische ringöffnende Polymerisation von Alkylenoxiden mit wenigstens einer wenigstens monofunktionellen Verbindung, die mit Alkylenoxiden reaktiv ist, wobei mindestens ein N-heterocyclisches Carben als Katalysator zum Einsatz kommt.
Zudem sind weitere Gegenstände der vorliegenden Erfindung der neue Carbenkataly- sator sowie dessen Verwendung in einem Verfahren zur Herstellung von Polyethero- len, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbaren Polyetherole und deren Verwendung zur Herstellung von Polyurethanen.
Der erfindungsgemäße Einsatz eines N-heterocyclischen Carbens als Katalysator für die katalytische ringöffnende Polymerisation von Alkylenoxiden ermöglicht unter ande- rem die Herstellung hochmolekularer Blockcopolymer-Polyetherole, zum Beispiel mit EO-Endcaps. Die auf diese Weise hergestellten Polyetherole sind durch ihre hohe Reaktivität aufgrund der primären OH-Gruppen ausgezeichnet geeignet für eine weitere Umsetzung zu Polyurethanen, zum Beispiel zur Anwendung als Formweichschäume. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Polyetherolen unter Einsatz eines N-heterocyclischen Carbens als Katalysator für die katalytische ringöffnende Polymerisation von Alkylenoxiden eignet sich insbesondere für substituierte Alkylen- oxide, wie zum Beispiel Propylenoxid oder Butylenoxid, als Einsatzstoffe. Der Umfang der bei diesen Edukten auftretenden Nebenreaktionen, wie die Bildung ungesättigter Nebenprodukte wie Allylalkoholen, wird bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Vergleich zu konventionellen Verfahren, wie der KOH-Katalyse, deutlich reduziert.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass die Aufarbeitungsschritte der Neutralisation und Filtration, die bei der KOH-katalysierten Herstellung von Polyetherolen nötig sind, entfallen.
Außerdem sind bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens in der Regel niedrigere Katalysatorkonzentrationen nötig als beim konventionellen KOH-katalysierten Verfahren, und die Reaktionstemperaturen sind in der Regel niedriger. Das bedeutet, dass die Aktivität des erfindungsgemäßen Katalysators deutlich höher ist als die der konventionellen Katalysatoren, wie KOH- oder Aminkatalysatoren.
Weiterhin ist die Viskosität des Reaktionsgemischs bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens in der Regel niedriger als diejenige beim konventionellen KOH- katalysierten Verfahren, was eine bessere Abfuhr der Reaktionswärme ermöglicht.
Und schließlich kann, bei Weiterverarbeitung des erfindungsgemäß hergestellten Poly- etherols zu Polyurethanen, die Reaktivität (Aushärtezeit) des so erhältlichen Polyurethans in weiten Grenzen eingestellt werden. Dies rührt daher, dass der erfindungsgemäße NHC-Katalysator auch als Katalysator für die Polyurethanherstellung verwendet werden kann; falls der erfindungsgemäße NHC-Katalysator am Ende des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht gequencht wird und somit im Polyetherol-Produkt verbleibt, kann folglich die Reaktivität des Polyols in einem Verfahren zur Herstellung von PU erhöht (oder die Menge an regulärem PU-Katalysator verringert) werden. Hierbei bedeutet der Begriff„Quenching" die Deaktivierung des Katalysators durch chemische Umsetzung, z. B. durch Hydrolyse oder Oxidation.
Somit bietet das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Polyetherolen unter Einsatz eines N-heterocyclischen Carbens als Katalysator für die katalytische ringöffnende Polymerisation von Alkylenoxiden zahlreiche Vorteile gegenüber den etablierten Verfahren.
Es wurde somit eine neue, hoch aktive Katalysatorklasse für die Ringöffnungspolymerisation von Alkylenoxiden gefunden. Auch die Copolymerisation, zum Beispiel mit Lac- tonen, Lactid und/oder cyclischen Siloxanen, ist mit dem erfindungsgemäßen Katalysa- tor möglich. Beispiele geeigneter Lactone für die Copolymerisation mit Alkylenoxiden sind substitu- tuierte oder unsubstitutierte Lactone mit 4-gliedrigen oder größeren Ringen, wie beispielsweise ß-Propiolacton, δ-Valerolacton, ε-Caprolacton, Methyl-e-caprolacton, ß,ß- Dimethyl-ß-propiolacton, ß-Methyl-ß-propiolacton, α-Methyl-ß-Propiolacton, α,α- Bis(chlormethyl)-propiolacton, Methyoxy-e-caprolacton, Ethoxy-e-caprolacton, Cyclo- hexyl-e-caprolacton, Phenyl-e-caprolacton, Benzyl-e-caprolacton, ζ-Enantholacton, η-Caprylolacton, a,ß,Y-Trimethoxy-5-valerolacton, oder ß-Butyrolactone, und Mischungen daraus. In einer Ausführungsform wird ε-Caprolacton verwendet.
Durch die hohe Aktivität des Katalysators ist es möglich, hohe Alkoxilierungsgrade zu erreichen, insbesondere auch mit substituierten Alkylenoxiden wie Propylenoxid.
Die Polyetherol-Produkte können zum Beispiel eingesetzt werden als Bestandteil der A-Komponente von PU-Systemen für Weichschaumanwendungen (Blockweichschaum, Formweichschaum), für Hartschaumanwendungen und für Elastomere, Coa- tings und Klebstoffe, als Trägeröle sowie als oberflächenaktive Substanzen für Kosmetik- und Haushaltschemikalien sowie für die Bauchemie.
Es konnte gezeigt werden, dass die Reaktion von EO und PO mit katalytischen Mengen NHC in Gegenwart eines OH-gruppenhaltigen Starters zu Polyalkylenoxid mit enger Massenverteilung führt, wie aus Polydispersitätsdaten zu erkennen ist (siehe Beispiel 2).
Ebenfalls wurde überraschenderweise gefunden, dass NHCs im Gegensatz zu anderen Organokatalysatoren in der Lage sind, mono- und disubstituierte Alkylenoxide, insbesondere Propylenoxid und Butylenoxid, in genauso katalytischer wie stöchiometri- scher Reaktion nicht nur zu Oligomeren, sondern auch zu den entsprechenden Poly- etherolen (mit hohem Mw, zum Beispiel bis zu 12.000 g/mol) umzusetzen.
Ebenfalls ist es mit NHC-Katalysatoren damit erstmals möglich, statistische sowie Block-Copolymere aus den oben genannten Monomeren zu erhalten, insbesondere EO-gecappte PPG-cores.
Bevorzugt wird ein erfindungsgemäßer Katalysator verwendet.
Der erfindungsgemäße Katalysator wird bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe umfassend:
, und
Dabei gilt: X ist ausgewählt aus der Gruppe umfassend O und S; R1 ist ausgewählt aus der Gruppe umfassend Alkyl, Aryl; R2, falls vorhanden, ist ebenfalls ausgewählt aus der Gruppe umfassend Alkyl, Aryl; R3 und R4 sind jeweils ausgewählt aus der Gruppe umfassend H, Alkyl, Aryl.
Ebenso sind auch Ringschlüsse zwischen R1 und R3, R3 und R4 sowie R4 und R2 möglich. Dabei werden die Alkylgruppen bevorzugt jeweils ausgewählt aus der Gruppe umfassend Methyl, Ethyl, Propyl, Butyl, Pentyl, Hexyl, Heptyl, Octyl, besonders bevorzugt Methyl, Ethyl, iso-Propyl, tert-Butyl.
Die Arylgruppen werden bevorzugt jeweils ausgewählt aus der Gruppe umfassend Phenyl und Mesityl.
Falls der Rest R2 nicht vorhanden ist, ist R1 bevorzugt eine sekundäre oder tertiäre Alkyl- oder Mesitylgruppe, besonders bevorzugt eine tertiäre Alkylgruppe. Im Falle, dass beide Gruppen R1 und R2 vorhanden sind, ist bevorzugt wenigstens einer der beiden Reste R1 und R2 eine primäre Alkylgruppe, wie zum Beispiel Methyl, Ethyl, n-Propyl oder n-Butyl.
Ebenfalls bevorzugt ist im Falle, dass beide Gruppen R1 und R2 vorhanden sind, we- nigstens einer der beiden Reste R1 und R2 eine sekundäre Alkylgruppe, wie zum Beispiel iso-Propyl.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, in der beide Gruppen R1 und R2 vorhanden sind, sind beide Reste R1 und R2 sekundäre Alkylgruppen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, in der beide Gruppen R1 und R2 vorhanden sind, ist einer der beiden Reste R1 und R2 eine primäre Alkylgruppe, und der andere der beiden Reste ist eine sekundäre Alkylgruppe.
Besonders bevorzugt sind in einer Ausführungsform der Erfindung, in der beide Gruppen R1 und R2 vorhanden, beide Reste R1 und R2 jeweils primäre Alkylgruppen.
Bevorzugt sind auch folgende Strukturen:
R2 sowie R2 wobei R1 , R2, R3, R4 in allgemeiner Form und in bevorzugter Form wie oben definiert sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der folgende Katalysator:
verwendet, wobei R1 , R2, R3, R4 in allgemeiner Form und in bevorzugter Form wie oben definiert sind.
Bevorzugt ist somit wenigstens einer der beiden Reste R1 und R2 eine primäre Alkylgruppe; ebenfalls bevorzugt ist wenigstens einer der beiden Reste R1 und R2 eine sekundäre Alkylgruppe. Besonders bevorzugt sind beide Reste R1 und R2 jeweils primäre Alkylgruppen.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der folgende Kata
verwendet, wobei R1 , R2, R3, R4 in allgemeiner Form und in bevorzugter Form wie oben definiert sind.
Bevorzugt ist somit wenigstens einer der beiden Reste R1 und R2 eine primäre Alkylgruppe; ebenfalls bevorzugt ist wenigstens einer der beiden Reste R1 und R2 eine sekundäre Alkylgruppe. Besonders bevorzugt sind beide Reste R1 und R2 jeweils primäre Alkylgruppen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der folgende Katalysator:
verwendet, wobei R1 , R2, R3, R4 in allgemeiner Form und in bevorzugter Form oben definiert sind. Bevorzugt ist somit wenigstens einer der beiden Reste R1 und R2 eine primäre Alkyl- gruppe; ebenfalls bevorzugt ist wenigstens einer der beiden Reste R1 und R2 eine sekundäre Alkylgruppe. Besonders bevorzugt sind beide Reste R1 und R2 jeweils primäre Alkylgruppen. Üblicherweise wird der erfindungsgemäße Katalysator in einer Menge von 0,001 bis 1 ,5 Gew.%, bevorzugt in einer Menge von 0,01 bis 1 ,0 Gew.%, besonders bevorzugt in einer Menge von 0,1 bis 0,7 Gew.%, bezogen auf die Menge an Starter plus Alkylen- oxid(en), eingesetzt. Es kann auch ein Gemisch verschiedener erfindungsgemäßer Katalysatoren verwendet werden, oder ein Gemisch erfindungsgemäßer Katalysatoren mit konventionellen Katalysatoren.
Die wenigstens monofunktionelle Verbindung, die mit Alkylenoxiden reaktiv ist, wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch als Starter bezeichnet.
Bevorzugt wird eine wenigstens monofunktionelle Verbindung, die mit Alkylenoxiden reaktiv ist, verwendet.
Die wenigstens monofunktionelle Verbindung, die mit Alkylenoxiden reaktiv ist, wird in einer Ausführungsform ausgewählt aus der Gruppe der monofunktionellen Verbindungen, bevorzugt aus der Gruppe umfassend Monole, insbesondere d- bis Cis-Monole.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die wenigstens monofunktionelle Verbindung, die mit Alkylenoxiden reaktiv ist, ausgewählt aus der Gruppe der wenigstens difunktionellen Verbindungen, die mit Alkylenoxiden reaktiv sind.
Dabei wird die wenigstens difunktionellen Verbindung, die mit Alkylenoxiden reaktiv ist, in einer besonders bevorzugten Ausführungsform ausgewählt aus der Gruppe umfas- send Polyole, insbesondere Glycerin, Ethylenglycol, Diethylenglycol, Propylenglycol, Dipropylenglycol, Pentaerythrit, Sorbitol, Saccharose, d- bis Cis-Diole, Rizinusöl, epo- xydierte und ringgeöffnete Fettsäuren, Trimethylolpropan, Zuckerverbindungen wie beispielsweise Glucose, Sorbit, Mannit und Saccharose, mehrwertige Phenole, Resole, wie z. B. oligomere Kondensationsprodukte aus Phenol und Formaldehyd und Mannich-Kondensate aus Phenolen, Formaldehyd, Dialkanolaminen, Melamin, sowie Mischungen aus mindestens zwei der aufgeführten Verbindungen. Ebenfalls können, im Gegensatz zu DMC-katalysierten Verfahren, Amine oder Amino- alkohole als Starterkomponenten eingesetzt werden.
Bevorzugt werden Verbindungen aus der Gruppe umfassend Hexamethylendiamin, Ethylendiamin, Propylendiamin, Orthocyclohexandiamin, Aminocyclohexanalkylamin, und aromatische Amine ausgewählt aus der Gruppe enthaltend Toluoldiamin (TDA), Diphenylmethandiamin (MDA) oder polymeres MDA (p-MDA), eingesetzt. Im Falle von TDA werden insbesondere die 2,3- und 3,4-lsomere, auch als vicinales TDA bezeichnet, eingesetzt. Die Alkylenoxide für das erfindungsgemäße Verfahren sind bevorzugt ausgewählt aus
Dabei gilt: R1 und R2 sind jeweils ausgewählt aus der Gruppe umfassend Alkyl, Aryl, Alkenyl.
Hierbei bedeutet Alkyl bevorzugt einen Rest ausgewählt aus der Gruppe der C1 - bis C10-Alkylverbindungen, bevorzugt C1 - bis C2-Verbindungen, besonders bevorzugt C1 - Verbindungen.
Aryl bedeutet bevorzugt einen Phenyl-Rest.
Alkenyl bedeutet bevorzugt einen Rest ausgewählt aus der Gruppe der C2- bis C10- Alkyenylverbindungen, bevorzugt eine C3-Alkenylverbindung.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Alkylenoxid ausgewählt aus der Gruppe enthaltend Ethylenoxid (EO), Propylenoxid (PO) und Butylenoxid. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Alkylenoxid Propylenoxid.
Die Anlagerung der Alkylenoxide wird bevorzugt bei einer Temperatur zwischen 60 und 150 °C, besonders bevorzugt bei 80-130°C, und ganz besonders bevorzugt bei 90- 120°C, und einem Druck zwischen 0,1 bis 9 bar durchgeführt. Nach Abschluss der Dosierung der Alkylenoxide schließt sich üblicherweise eine Nachreaktionsphase an, in der das Alkylenoxid abreagiert. Es folgt üblicherweise eine Aufarbeitung des Reaktionsprodukts, beispielsweise durch eine Destillation zur Abtrennung leicht flüchtiger Bestandteile, die vorzugsweise unter Vakuum durchgeführt wird; die bei KOH-katalysierten Verfahren übliche aufwändige weitere Aufarbeitung durch Neutralisation des Katalysators und Filtration des dadurch erhaltenen Salzes entfällt. Weiterhin kann während, vor oder nach der Destillation auch mit Inertgas oder Dampf gestrippt werden. Die Strippung findet in der Regel in einem Temperaturbereich von 60-150°C und einem Druckbereich von 15-1013 mbar statt. Das Inertgas oder der Dampf wird üblicherweise mit 1 -1900 kg/m3/h eingeleitet. Die Volumenangabe bezieht sich auf das Reaktorvolumen.
Optional wird der erfindungsgemäße Katalysator dann gequencht, zum Beispiel durch Oxidation oder Hydrolyse.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbaren Polyetherole, sowie deren Verwendung zur Herstellung von Polyurethanen. Zudem ist ein weiterer Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Polyetherolen, wie oben definiert, wobei das Polyetherol mit einem EO-Endcap versehen wird.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Polyurethans, durch Umsetzung eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbaren Polyether- polyols mit einem oder mehreren organischen Diisocyanaten (oder Polyisocyanaten).
Die Herstellung der Polyurethane kann nach den bekannten Verfahren, diskontinuierlich oder kontinuierlich, beispielsweise mit Reaktionsextrudern oder dem Bandverfah- ren nach„one-shot" oder dem Prepolymerverfahren (auch mehrstufige Prepolymerver- fahren wie in US6790916B2, bevorzugt nach dem„one-shot"-Verfahren erfolgen. Bei diesen Verfahren können die zur Reaktion kommenden Komponenten Polyesterol, Kettenverlängerer, Isocyanat und gegebenenfalls Hilfsstoffe und Additive (insbesondere UV-Stabilisatoren) nacheinander oder gleichzeitig miteinander vermischt werden, wobei die Reaktion unmittelbar einsetzt.
Die Herstellung der Polyurethane erfolgt in der Regel durch Umsetzung von Diisocyanaten mit Verbindungen mit mindestens zwei mit Isocyanatgruppen reaktiven Wasserstoffatomen, vorzugsweise difunktionellen Alkoholen, besonders bevorzugt mit den erfindungsgemäß herstellbaren Polyetherolen. Als Diisocyanate werden übliche aromatische, aliphatische und/ oder cycloaliphatische Diisocyanate, beispielsweise Diphenyl-Methan-Diisocyanat (MDI), Toluylendiisocyanat (TDI), Tri-, Tetra-, Penta-, Hexa-, Hepta- und/oder Oktamethylendiisocyanat, 2-Methyl- pentamethylen-diisocyanat-1 ,5, 2-Ethyl-butylen-diisocyanat-1 ,4, 1 -lsocyanato-3,3,5- trimethyl-5-isocyanatomethyl-cyclohexan (Isophoron-diisocyanat, IPDI), 1 ,4- und/oder
1 .3- Bis(isocyanatomethyl)cyclohexan (HXDI), 1 ,4-Cyclohexan-diisocyanat, 1-Methyl-
2.4- und/oder -2, 6-cyclohexan-diisocyanat, 4,4'-, 2,4'- und/oder 2, 2'-Dicyclo- hexylmethan-diisocyanat eingesetzt. Als gegenüber Isocyanaten reaktive Verbindungen werden, wie beschrieben, bevorzugt die erfindungsgemäßen Polyetheralkohole eingesetzt. In Gemisch mit diesen können allgemein bekannte Polyhydroxylverbindungen mit Molekulargewichten von 500 bis 8000 g/ mol, bevorzugt 600 bis 6000 g/ mol, insbesondere 800 bis 4000 g/ mol, und bevorzugt einer mittleren Funktionalität von 1 ,8 bis 2,6, bevorzugt 1 ,9 bis 2,2, insbe- sondere 2 eingesetzt werden, beispielsweise Polyesteralkohole, Polyetheralkohole und/oder Polycarbonatdiole.
Zu den gegenüber Isocyanaten reaktiven Verbindungen gehören auch die Kettenverlängerungsmittel. Als Kettenverlängerungsmittel können allgemein bekannte insbeson- dere zweifunktionelle Verbindungen eingesetzt werden, beispielsweise Diamine und/oder Alkandiole mit 2 bis 10 C-Atomen im Alkylenrest, insbesondere Ethylenglykol und/oder Butandiol-1 ,4, und/ oder Hexandiol und/ oder Di- und/oder Tri-oxyalkylen- glykole mit 3 bis 8 Kohlenstoffatomen im Oxyalkylenrest, bevorzugt entsprechende Oligo-Polyoxypropylenglykole, wobei auch Mischungen der Kettenverlängerer einge- setzt werden können. Als Kettenverlängerer können auch 1 ,4-Bis-(hydroxymethyl)- benzol (1 ,4-BHMB), 1 ,4-Bis-(hydroxyethyl)-benzol (1 ,4-BHEB) oder 1 ,4-Bis-(2-hydroxy- ethoxy)-benzol (1 ,4-HQEE) zum Einsatz kommen. Bevorzugt werden als Kettenverlängerer Ethylenglykol und Hexandiol, besonders bevorzugt Ethylenglykol. Üblicherweise werden Katalysatoren eingesetzt, welche die Reaktion zwischen den NCO-Gruppen der Diisocyanate und den Hydroxylgruppen der Aufbaukomponenten beschleunigen, beispielsweise tertiäre Amine, wie Triethylamin, Dimethylcyclohexyl- amin, N-Methylmorpholin, Ν,Ν'-Dimethylpiperazin, 2-(Dimethylaminoethoxy)-ethanol, Diazabicyclo-(2,2,2)-octan und ähnliche sowie insbesondere organische Metallverbin- düngen wie Titansäureester, Eisenverbindungen wie z.B. Eisen— (III)— acetylacetonat, Zinnverbindungen, wie Zinndiacetat, Zinndilaurat oder die Zinndialkylsalze aliphatischer Carbonsäuren wie Dibutylzinndiacetat, Dibutylzinndilaurat oder ähnliche. Die Katalysatoren werden üblicherweise in Mengen von 0,0001 bis 0,1 Gew.-Teilen pro 100 Gew.-Teile Polyhydroxylverbindung eingesetzt.
Neben Katalysatoren können den Aufbaukomponenten auch übliche Hilfsstoffe hinzugefügt werden. Genannt seien beispielsweise oberflächenaktive Substanzen, Flamm- Schutzmittel, Keimbildungsmittel, Gleit- und Entformungshilfen, Farbstoffe und Pigmente, Inhibitoren, Stabilisatoren gegen Hydrolyse, Licht, Hitze, Oxidation oder Verfärbung, Schutzmittel gegen mikrobiellen Abbau, anorganische und/ oder organische Füllstoffe, Verstärkungsmittel und Weichmacher.
Nähere Angaben über die oben genannten Hilfsmittel- und Zusatzstoffe sind der Fachliteratur zu entnehmen, zum Beispiel aus„Plastics Additive Handbook", 5th Edition, H. Zweifel, ed, Hanser Publishers, München, 2001 , H. Saunders und K. C. Frisch "High Polymers", Band XVI, Polyurethane, Teil 1 und 2, Verlag Interscience Publishers 1962 and 1964, Taschenbuch für Kunststoff-Additive von R. Gachter und H. Muller (Hanser Verlag München 1990) oder DE-A 29 01 774.
Apparaturen zur Herstellung von Polyurethanen sind dem Fachmann bekannt; siehe zum Beispiel Kunststoffhandbuch, Band VII, Polyurethane, Carl- Hanser-Verlag, Mün- chen 1. Auflage 1966, herausgegeben von Dr. R Vieweg und Dr. A. Höchtlen, sowie 2. Auflage 1983 und die 3. neubearbeitete Auflage 1993, herausgegeben von Dr. G. Oer- tel.
Ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung betrifft somit, wie erwähnt, die Verwen- dung eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Polyetherpolyols zur Produktion von Polyurethanen (im Folgenden auch als PUR bezeichnet), insbesondere von PUR-Weichschaum, PUR-Hartschaum, Polyisocyanurat (PIR)-Hart- schaum, zellulären oder nicht zellulären PUR-Materialien oder Polyurethandispersionen. Die wie oben beschriebenen Polyurethane können u. a. zur Herstellung von Mat- ratzen, Schuhsohlen, Dichtungen, Schläuchen, Fußböden, Profilen, Lacken, Klebstoffen, Dichtstoffen, Skiern, Autositzen, Laufbahnen in Stadien, Instrumententafeln, diversen Formkörpern, Vergussmassen, Folien, Fasern, Non-Woven und/oder Gussböden verwendet werden. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung eines N-heterocylischen Carbens, wie oben definiert, als Katalysator in einem Verfahren zur Herstellung von Polyetherolen.
Beispiele
Im Folgenden werden einige Beispiele zur Veranschaulichung der Erfindung angeführt. Dabei dienen die Beispiele nur illustrativen Zwecken und sollen keinesfalls den Umfang der Ansprüche einschränken. Bsp. 1
25,0 g Diethylenglykol und 0,42 g 1 ,3-Dimethylimidazolium-2-carboxylat wurden in einem 300 ml Reaktor vorgelegt. Anschließend wurde der Kessel mit Stickstoff inertisiert. Der Kessel wurde auf 1 15°C erhitzt und 62,37 g Ethylenoxid wurden zudosiert. Nach einer Abreaktionszeit von 3 h wurde für 30 Minuten unter vollem Vakuum evakuiert und anschließend auf 25°C abgekühlt. Es wurden 78,4 g Produkt erhalten. OH-Zahl: 328,6 mg KOH/g
Viskosität (25°C): 62,7 mPas
Bsp. 2:
18,42 g Diethylenglykol und 1 ,37 g 1 ,3-Dimethylimidazolium-2-carboxylat wurden in einem 300 ml Reaktor vorgelegt. Anschließend wurde der Kessel mit Stickstoff inerti- siert. Der Kessel wurde auf 1 15°C erhitzt und 201 ,58 g Propylenoxid wurden gegen eine Druckbremse von 7,6 bar zudosiert. Die Dosierzeit betrug 8 Stunden 10 Minuten. Nach einer Abreaktionszeit von 4 h wurde für 30 Minuten unter vollem Vakuum evakuiert und anschließend auf 25°C abgekühlt. Es wurden 200,14 g Produkt erhalten.
OH-Zahl: 106,5 mg KOH/g
Viskosität (25°C): 140 mPas
GPC Polydispersität: 1 ,098 Bsp. 3:
18,42 g Diethylenglykol und 1 ,00 g 1 -Butyl-3-methylimidazolium-2-carboxylat wurden in einem 300 ml Reaktor vorgelegt. Anschließend wurde der Kessel mit Stickstoff inerti- siert. Der Kessel wurde auf 1 15°C erhitzt und 201 ,58 g Propylenoxid wurden gegen eine Druckbremse von 7,6 bar zudosiert. Die Dosierzeit betrug 10 Stunden 15 Minuten. Nach einer Abreaktionszeit von 4 h wurde für 30 Minuten unter vollem Vakuum evakuiert und anschließend auf 25°C abgekühlt. Es wurden 200,14 g Produkt erhalten.
OH-Zahl: 88,1 mg KOH/g
Viskosität (25°C): 137 mPas
Bsp. 4:
18,42 g Diethylenglykol und 0,85 g 1 -Ethyl-3-methylimidazolium-2-carboxylat wurden in einem 300 ml Reaktor vorgelegt. Anschließend wurde der Kessel mit Stickstoff inerti- siert. Der Kessel wurde auf 1 15°C erhitzt und 201 ,58 g Propylenoxid wurden gegen eine Druckbremse von 7,6 bar zudosiert. Die Dosierzeit betrug 8 Stunden 20 Minuten. Nach einer Abreaktionszeit von 4 h wurde für 30 Minuten unter vollem Vakuum evakuiert und anschließend auf 25°C abgekühlt. Es wurden 200,14 g Produkt erhalten.
OH-Zahl: 89 mg KOH/g
Viskosität (25°C): 126 mPas
Bsp. 5: 18,42 g Diethylenglykol und 1 ,3 g Di-tert-butyl-imidazolium-2-carboxylat wurden in einem 300 ml Reaktor vorgelegt. Anschließend wurde der Kessel mit Stickstoff inertisiert. Der Kessel wurde auf 1 15°C erhitzt und 201 ,58 g Propylenoxid wurden gegen eine Druckbremse von 7,6 bar zudosiert. Nach 6 Stunden überschritt der Druck 7,6 bar und fiel auch nach einem Dosierstop nicht mehr ab. Daraufhin wurde die Reaktion abgebrochen. Es wurde 30 Minuten unter vollem Vakuum evakuiert und anschließend auf 25°C abgekühlt. Es wurden 91 ,14 g Produkt erhalten.
OH-Zahl: 223 mg KOH/g
Viskosität (25°C): 51 mPas
Bsp. 6:
25,0 g Diethylenglykol und 0,42 g 1 ,3-Dimethylimidazolium-2-carboxylat wurden in einem 300 ml Reaktor vorgelegt. Anschließend wurde der Kessel mit Stickstoff inertisiert. Der Kessel wurde auf 1 15°C erhitzt und 62,27 g Ethylenoxid wurden zudosiert. Nach einer Abreaktionszeit von 2 h wurde für 30 Minuten unter vollem Vakuum evakuiert und anschließend auf 25°C abgekühlt. Es wurden 83,1 g Produkt erhalten.
OH-Zahl: 318 mg KOH/g
Viskosität (25°C): 62,7 mPas
Bsp. 7:
135,00 g eines Diethylenglykol gestarteten mit 1 ,3-Dimethylimidazolium-2-carboxylat katalysierten Polypropylenglykols mit einer Hydroxyzahl von 108 mg KOH/g wurden in einen 300 ml Reaktor gefüllt. 0,77 g 1 ,3-Dimethylimidazolium-2-carboxylat wurden zugegeben und der Reaktor wurde auf 100°C erwärmt. Nach einer Vakuumtrocknung wurden 12,5 g Ethylenoxid zudosiert. Nach einer Abreaktionszeit von 3 h wurden für 30 Minuten unter vollem Vakuum evakuiert und anschließend auf 25°C abgekühlt. Es wurden 144 g eines klaren Produkts erhalten.
OH-Zahl: 96 mg KOH/g
Viskosität (25°C): 128 mPas
Bsp. 8:
24,41 g Diethylenglykol, 20,56 g 1 ,1 ,3,3,5,5-Hexamethyltricyclosiloxan und 1 ,73 g 1 ,3- Dimethylimidazolium-2-carboxylat wurden in einem 300 ml Reaktor vorgelegt. Anschließend wurde der Kessel mit Stickstoff inertisiert. Der Kessel wurde auf 1 10°C erhitzt und 185,0 g Propylenoxid wurden zudosiert. Nach einer Abreaktionszeit von 3 h wurde für 30 Minuten unter vollem Vakuum evakuiert und anschließend auf 25°C ab- gekühlt. Es wurden 220,3 g Produkt erhalten.
OH-Zahl: 1 10 mg KOH/g Viskosität (25°C): 167 mPas
Bsp. 9:
24,40 g Diethylenglykol, 61 ,68 g Caprolacton und 1 ,73 g 1 ,3-Dimethylimidazolium-2- carboxylat wurden in einem 300 ml Reaktor vorgelegt. Anschließend wurde der Kessel mit Stickstoff inertisiert. Der Kessel wurde auf 1 10°C erhitzt und 143,91 g Propylenoxid wurden zudosiert. Nach einer Abreaktionszeit von 3 h wurde für 30 Minuten unter vollem Vakuum evakuiert und anschließend auf 25°C abgekühlt. Es wurden 202,1 g Produkt erhalten.
OH-Zahl: 129 mg KOH/g
Viskosität (25°C): 281 mPas
Die hohen Druckwerte zeigen eine Abreaktion des PO an.
Somit wird durch das erfindungsgemäße Verfahren eine vorteilhafte Alternative zu konventionellen, KOH- oder DMC-katalysierten Verfahren bereitgestellt.
Die neuen Katalysatoren sind hoch aktiv, wodurch nur eine geringe Menge des Kataly- sators benötigt wird, und es kann ein EO-Endcapping von Polyetherolen substituierter Alkylenoxide, und somit also der Aufbau von Polyetherol-Blockstrukturen, durchgeführt werden. Auch eine Copolymerisation, z. B. mit Lactonen, ist möglich.
Nebenreaktionen beim Einsatz von PO werden weitgehend vermieden, und durch die gegenüber der KOH-Katalyse niedrigere Viskosität des Reaktionsgemischs kann eine bessere Wärmeabfuhr erreicht werden.
Zudem ist keine zeitraubende Aufarbeitung am Ende der Reaktion erforderlich, wie sie bei KOH-katalysierten Verfahren die Regel ist.
Der Einsatz von Aminen als Starter oder Costarter ist möglich; und schließlich kann der erfindungsgemäße Katalysator bei weiteren Reaktionen, z. B. der PU-Herstellung, weiter verwendet werden. Die erfindungsgemäß herstellbaren Polyetherole können zudem vorteilhaft bei der Herstellung von Polyurethanen eingesetzt werden.

Claims

Ansprüche
Verfahren zur Herstellung von Polyetherolen durch katalytische ringöffnende Polymerisation von Alkylenoxiden mit wenigstens einer wenigstens monofunktionellen Verbindung, die mit Alkylenoxiden reaktiv ist, wobei mindestens ein N-heterocyclisches Carben als Katalysator zum Einsatz kommt.
Verfahren zur Herstellung von Polyetherolen nach Anspruch 1 , wobei die Alky- lenoxide ausgewählt sind aus der Gruppe enthaltend Ethylenoxid, Propylenoxid und Butylenoxid, bevorzugt Propylenoxid.
Verfahren zur Herstellung von Polyetherolen nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die wenigstens monofunktionelle Verbindung, die mit Alkylenoxiden reaktiv ist, ausgewählt ist aus der Gruppe der wenigstens difunktionel- len Verbindungen, die mit Alkylenoxiden reaktiv sind.
Verfahren zur Herstellung von Polyetherolen nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die wenigstens difunktionellen Verbindungen, die mit Alkylenoxiden reaktiv sind, ausgewählt sind aus der Gruppe umfassend Polyole, insbesondere Glycerin, Ethylenglycol, Diethylenglycol, Propylenglycol, Dipropy- lenglycol, Pentaerythrit, Sorbitol, Saccharose, d- bis Cis-Diole, Rizinusöl, epo- xydierte und ringgeöffnete Fettsäuren, Trimethylopropan, Zuckerverbindungen wie beispielsweise Glucose, Sorbit, Mannit und Saccharose, mehrwertige Phenole, Resole, wie z. B. oligomere Kondensationsprodukte aus Phenol und Formaldehyd und Mannich-Kondensate aus Phenolen, Formaldehyd, Dialkanolami- nen, Melamin, sowie Mischungen aus mindestens zwei der aufgeführten Verbindungen.
Verfahren zur Herstellung von Polyetherolen nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das N-heterocyclische Carben ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend
, und , wobei X ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend O und S; R1 ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Alkyl, Aryl; R2, falls vorhanden, ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Alkyl, Aryl; R3 und R4 jeweils ausgewählt sind aus der Gruppe umfassend H, Alkyl, Aryl; wobei auch Ringschlüsse zwischen R1 und R3, R3 und R4 sowie R4 und R2 möglich sind.
6) Verfahren zur Herstellung von Polyetherolen nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das N-heterocyclische Carben
ist, wobei R1 , R2, R3 und R4 wie oben definiert sind.
7) Verfahren zur Herstellung von Polyetherolen nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das N-heterocyclische Carben
ist, wobei R1 , R2, R3 und R4 wie oben definiert sind.
8) Verfahren zur Herstellung von Polyetherolen nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das N-heterocyclische Carben
wobei R1 , R2, R3 und R4 wie oben definiert sind.
9) Verfahren zur Herstellung von Polyetherolen nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei wenigstens einer der beiden Reste R1 und R2 eine primäre Alkylgruppe ist. 10) Verfahren zur Herstellung von Polyetherolen nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei wenigstens einer der beiden Reste R1 und R2 eine sekundäre Alkylgrup- pe ist. 1 1 ) Verfahren zur Herstellung von Polyetherolen nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei beide Reste R1 und R2 jeweils primäre Alkylgruppen sind.
12) Verfahren zur Herstellung von Polyetherolen gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Polyetherol mit einem EO-Endcap versehen wird.
13) Verwendung mindestens eines N-heterocyclischen Carbens, wie in einem der vorangehenden Ansprüche definiert, als Katalysator in einem Verfahren zur Herstellung von Polyetherolen. 14) Polyetherole, herstellbar nach dem Verfahren eines der Ansprüche 1 bis 12.
15) Verwendung der Polyetherole nach Anspruch 14 zur Herstellung von Polyurethanen.
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